陳建明，李云鵬，常 玲，關(guān)維娜，孫衛(wèi)東

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心，新疆 烏魯木齊 830000）

四川省攀枝花-西昌地區(qū)（簡稱攀西地區(qū)）以其儲量巨大的釩鈦礦、磁鐵礦、稀土礦、碲鉍礦等礦產(chǎn)資源[1]，成為我國重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)富集區(qū)。該區(qū)域礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)模較大，礦業(yè)開發(fā)雖然為社會進(jìn)步，人們生活水平提高帶來了巨大效益，但不合理的礦業(yè)開發(fā)活動，不僅破壞了礦區(qū)內(nèi)的土地資源，而且極易誘發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害和污染礦區(qū)環(huán)境[2]，從而嚴(yán)重威脅著礦山安全生產(chǎn)和當(dāng)?shù)厝司迎h(huán)境，破壞了礦業(yè)開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展。因此，對礦山地質(zhì)災(zāi)害開展預(yù)防工作是構(gòu)建礦山綠色開發(fā)理念的必然選擇。地質(zhì)災(zāi)害在空間上的分布看似“雜亂無章”，但由于致災(zāi)因子分布的規(guī)律性，使地質(zhì)災(zāi)害存在空間集聚現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為地質(zhì)災(zāi)害存在易發(fā)地段和災(zāi)害集群特征[3]。所以，開展礦山地質(zhì)災(zāi)害防治工作，首先應(yīng)從宏觀層面分析礦山地質(zhì)災(zāi)害的空間集聚特征，然后劃定其空間集聚區(qū)域[4]，最后根據(jù)綜合分析，合理分配治理礦山地質(zhì)災(zāi)害的人力和物力，這將有助于決策部門進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。

本次研究基于ArcGIS核密度分析算法，從攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害“事件”（event）點本身出發(fā)，對該區(qū)域礦山地質(zhì)災(zāi)害在空間分布方面進(jìn)行分析。通過核密度分析結(jié)果柵格圖，更加快捷、可靠地對攀西地區(qū)的礦山地質(zhì)災(zāi)害空間集聚特征進(jìn)行直觀、科學(xué)的描述，從而達(dá)到宏觀把控，為今后的科學(xué)決策做技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

攀西地區(qū)位于四川省西南部，行政區(qū)劃包括攀枝花市和涼山彝族自治州在內(nèi)的2個州市、22個縣（市、區(qū)），國土面積6.78萬km2，占全省面積的13.89%（圖1）。攀西地區(qū)位于橫斷山脈構(gòu)造帶，海拔介于488m～4409m之間，地形起伏明顯。區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)，包括金沙江、雅礱江、安寧河等長江干支流，地貌以深切河谷為主。

圖1 攀西地區(qū)位置

攀西地區(qū)除了集中了我國90%以上的釩鈦磁鐵礦之外，還有富銅、錫、鎳、鉛、鋅、磷、稀土礦、金、煤等礦產(chǎn)，在我國占有一定地位。該區(qū)域北部有全國第二大的冕寧牦牛坪稀土礦，南部有著名的瀘沽鐵礦，鹽邊冷水菁鎳礦、會理力馬河銅鎳礦，會理拉拉銅礦，天寶山、大梁子鉛鋅礦，以及東川式層狀銅礦等。

2 數(shù)據(jù)來源

本文依據(jù)項目支持，在2017年土地變更調(diào)查遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)遙感解譯與外業(yè)調(diào)查修正，得到2017年攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)。

根據(jù)解譯與野外查證結(jié)果，2017年攀西地區(qū)共發(fā)現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害165處，以攀枝花市（52處）和涼山彝族自治州（113處）發(fā)現(xiàn)的礦山地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量較多；按礦山地質(zhì)災(zāi)害類別分析，崩塌25處，滑坡54處，泥石流77處，采礦塌陷9處，以泥石流和滑坡為主；按礦山地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模進(jìn)行分析，可劃分為特大型、大型、中型、小型四個等級，特大型5處，大型11處，中型126處，小型23處，礦山地質(zhì)災(zāi)害以中型規(guī)模為主。

3 核密度分析

3.1 核密度分析基本原理

核密度分析的實質(zhì)是針對某一事件（Event）在某種環(huán)境條件下出現(xiàn)概率的估計，是一種能從樣本估計總體概率密度函數(shù)的方法[5]。每個事件點上方均覆蓋著一個平滑曲面，在事件點所在位置處表面值最高，隨著點距離的增大表面值逐漸減小，在與事件點的距離等于搜索半徑的位置處表面值為零，也就是說核密度分析在搜索半徑內(nèi)的各事件點有不同的權(quán)重，靠近“核”權(quán)重較大，與“核”距離越遠(yuǎn)的事件點權(quán)重越小。

在現(xiàn)實世界中，任何事物或事件都不是單獨的，孤立的存在。根據(jù)地理學(xué)相似定律（Waldo R.Tobler,1970）：任何事物都與其他事物相關(guān)，但是距離近的事物比距離遠(yuǎn)的事物關(guān)系更大。根據(jù)該定律，可以假定礦山地質(zhì)災(zāi)害在某個空間位置出現(xiàn)的概率高或低，是受其所在自然環(huán)境或地質(zhì)環(huán)境作用下造成的，因此這種概率估計可以直接指示礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的高低。這種易發(fā)生礦山地質(zhì)災(zāi)害的密度上的變化，就可以用來分析礦山地質(zhì)災(zāi)害在空間分布狀況上的差異。

因此，核密度分析只是從事件點本身屬性出發(fā)，來研究事件點的聚集特征[6]，這種聚集特征以密度的方式進(jìn)行表示，這種方法不需要對事件點進(jìn)行任何先驗假設(shè)，不需要有關(guān)事件點分布的先驗知識。核密度分析函數(shù)f（x）為：

式中，f（x）是礦山地質(zhì)災(zāi)害點樣本x1，x2…xn在特定空間內(nèi)出現(xiàn)的概率密度函數(shù)；n為樣品容量；K為核函數(shù)；h為搜索半徑，其取值影響概率密度函數(shù)f（x）曲線的形狀核平滑程度。

本文選用的核函數(shù)為四次多項式核函數(shù)，則某處（x，y）的密度函數(shù)公式為：

式中：n為出現(xiàn)個數(shù)，h為核函數(shù)的搜索半徑，di為事件點到(x，y)位置之間的距離。

核密度分析的可視化結(jié)果，是以事件點在特定區(qū)域內(nèi)密度變化的連續(xù)型柵格形式來表示，反映事件點在連續(xù)空間下的聚集特征[7]。研究表明[8]，不同核函數(shù)對密度估計的影響很小，可以根據(jù)實際需求選擇即可，對核密度的曲面特征影響較大的是搜索半徑h的選取。

3.2 最優(yōu)搜索半徑的計算方法

在核密度分析過程中，最優(yōu)搜索半徑的取值是至關(guān)重要的，如果搜索半徑h過大，那么事件點的密度就過于平滑，可能會掩蓋住所要分析的熱度區(qū)；如果搜索半徑h過小，那么事件點在局部就會顯得突?；蛘咄癸@，使得事件點的熱度過于分散，無法從全局上分析事件點的關(guān)聯(lián)性。

國內(nèi)外學(xué)者通過研究確定出一些核密度分析中搜索半徑h的計算方法。在ArcGIS 10.2.1以前的版本中，搜索半徑是通過將輸入范圍的寬度或高度中的較小者除以30進(jìn)行計算，公式可表達(dá)為：

式中，e1，e2分別為事件點分布范圍最小矩陣的兩條邊長。

在ArcGIS 10.2.1以后的版本中，采用的搜索半徑的算法得到了改進(jìn)。首先計算事件點的平均中心，然后計算所有事件點的平均中心距離，接著計算這些距離的中值Dm，計算標(biāo)準(zhǔn)距離SD，最后以下列公式計算搜索半徑h值：

式中，Dm是平均中心的中值距離，SD是標(biāo)準(zhǔn)距離，n為事件點的數(shù)量。

BAILEY.T.C和GATRELL.A.C提出了一種計算核密度分析搜索半徑的計算方法，公式為：

式中：n為事件點數(shù)量，A為研究區(qū)面積。

將攀西地區(qū)152處礦山地質(zhì)災(zāi)害點代入公式(3)(4)(5)中，分別計算出搜索半徑h1=6.5km、h2=13.8km、h3=103km。通過ArcGIS中核密度分析功能，將搜索半徑h1、h2、h3分別代入，設(shè)置好輸出像元大小及掩膜范圍等參數(shù)，分別得到圖2中a、b、c的礦山地質(zhì)災(zāi)害核密度分析的可視化結(jié)果。

通過對比，當(dāng)搜索半徑為h=6.5 km時，密度值均集中于較小范圍內(nèi)，礦山地質(zhì)災(zāi)害點的空間集聚特征不明顯，離散化的特征顯著；當(dāng)搜索半徑為h=103 km時，密度值僅呈現(xiàn)出從中心點向外擴散的圈層結(jié)構(gòu)，雖然在一定程度上顯示出了攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害的分布特征，但從整體上來看，聚集特征范圍過大，無法準(zhǔn)確分析聚集區(qū)域；當(dāng)搜索半徑為h=13.8km時，得出密度值的結(jié)果較為理想，能夠較好地將局部空間集聚現(xiàn)象反映出來。

最后通過適當(dāng)調(diào)整，將攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害最優(yōu)搜索半徑確定為h=10 km，得出該區(qū)域礦山地質(zhì)災(zāi)害的核密度分析可視化結(jié)果（圖2，d）。

圖2 核密度分析最優(yōu)搜索半徑的選取

4 礦山地質(zhì)災(zāi)害空間分布特征

礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度和分布狀況，與其所處區(qū)域內(nèi)礦業(yè)開采狀態(tài)、礦山規(guī)模、地質(zhì)背景、自然環(huán)境、開采方式、礦種類型等條件息息相關(guān)。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害的核密度聚集區(qū)主要分布在金沙江、雅礱江、安寧河沿岸，涉及攀枝花市—會理縣和冕寧縣—喜德縣兩個區(qū)域。核密度越高，說明其越聚集，反應(yīng)出在搜索半徑內(nèi)的礦山地質(zhì)災(zāi)害點的數(shù)量越多。將核密度值較聚集區(qū)劃分為三個區(qū)域。具體表現(xiàn)如下：

圖3 攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害核密度分析結(jié)果

（1）區(qū)域I位于涼山彝族自治州冕寧縣及喜德縣部分，該區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害主要分布于雅礱江及安寧河沿岸。核密度分析中的“核”位于冕寧牦牛坪稀土礦礦區(qū)。該礦區(qū)是我國第二大稀土礦生產(chǎn)基地，開采規(guī)模大，開采方式為露天開采。由于該稀土礦位于山間河谷地，受地形地貌的影響較大，露天開采所生產(chǎn)出的排土場等固體廢棄物難以找到合適的區(qū)域進(jìn)行堆放，只能簡單地在采場旁邊或者沿著山坡進(jìn)行堆放，再加上該地區(qū)降雨較為豐富，極易形成泥石流或滑坡等地質(zhì)災(zāi)害或隱患。經(jīng)統(tǒng)計，區(qū)域I存在的礦山地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量為崩塌4處，滑坡6處，泥石流23處和采礦塌陷1處。

（2）區(qū)域II位于攀枝花市仁和區(qū)與西區(qū)交界處，以及攀枝花市東區(qū)，總體呈現(xiàn)出雙核并立，向外擴展的空間集聚特征。該區(qū)域的礦山地質(zhì)災(zāi)害主要分布于金沙江沿岸。核密度分析中的“核”主要存在于攀枝花市大寶頂煤礦區(qū)及蘭尖、朱家包包鐵礦礦區(qū)。通過統(tǒng)計，該區(qū)存在崩塌6處，滑坡13處，泥石流13處，采礦塌陷6處。

（3）區(qū)域III涉及攀枝花市米易縣、鹽邊縣以及涼山彝族自治州會理縣。該區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害空間分布對比區(qū)域I、區(qū)域II較為分散，主要分布于安寧河沿岸。該區(qū)核密度值較高處位于攀枝花市鹽邊縣，主要涉及黑色金屬（如鐵礦）、有色金屬礦（如銅礦、鉛鋅礦）及部分建材礦的開采，通過統(tǒng)計，該區(qū)域存在崩塌7處，滑坡16處，泥石流16處，采礦塌陷2處。

5 結(jié)論

（1）在已知礦山地質(zhì)災(zāi)害分布的情況下，利用核密度分析，從礦山地質(zhì)災(zāi)害“事件點”自身空間關(guān)聯(lián)性，客觀分析處礦山地質(zhì)災(zāi)害密度較大區(qū)域，即礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率較高的區(qū)域。

（2）在對攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害開展核密度分析的過程中，探索出用事件點的平均中心到各個事件點距離的方法確定的最佳搜索半徑最為合理，但需根據(jù)研究區(qū)的選取進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在最佳搜索半徑h=10km的條件下，得到攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害空間分布特征，即礦山地質(zhì)災(zāi)害主要分布于金沙江、雅礱江、安寧河沿岸，按照核密度值較高處劃分三個區(qū)域（I～I(xiàn)II），為攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害重點防治區(qū)域的劃分提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

（3）在下一步的研究中，需進(jìn)一步考慮地形地貌、地質(zhì)背景等因素，以精確礦山地質(zhì)災(zāi)害集聚地區(qū)的范圍，為攀西地區(qū)礦山地質(zhì)災(zāi)害的防治工作的科學(xué)布局提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。